金生吉， 陈 华，*， 舒 哲, 2， 何丽娟

(1. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110870； 2. 中冶京诚工程技术有限公司， 北京 100176)

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城市用地日趋紧张，交通压力越来越大，单纯依靠地面交通已无法满足人们的出行需求，因而向地下寻求发展空间成为一种必然趋势。为此，我国许多城市都开始大力修建地下公路隧道，城市地下空间的开发利用已经由原来的“单点建设、单一功能、单独运转”逐步向“多功能集成、规模化建设”转变[1]。由于城市地下公路隧道大多数建设在人口密集的地方，施工场地受限，周边环境复杂，且与一般基坑相比，公路隧道基坑长宽比很大，常被视为长条带状形基坑，给公路隧道明挖基坑工程的施工带来了困难与风险，因此，在基坑开挖过程中必须严格控制基坑的变形。通过钢支撑的架设及预加轴力的施加，能够很好地控制基坑变形[2-5]。在采用明挖法施工的基坑中，钻孔灌注桩+钢支撑的支护体系作为一种安全、高效、经济的支护形式得到了推广。与传统的钢筋混凝土支撑(浇筑时间长、养护后不能立即发挥支撑作用、拆除后会产生振动与噪声)相比，钢支撑具有结构简单、受力明确、安装方便以及可重复使用等优点，并且可以按照设计要求及时施加预应力，因而得到了广泛应用[6-10]。

张国亮[11]根据实测数据与数值模拟结果提出了临近铁路不对称超载基坑的设计建议与控制措施； 姚爱军等[12]基于实测数据研究了建筑物超载对深基坑围护结构变形的影响； 王培鑫等[13]基于临近铁路坑中坑偏载基坑开挖支护结构受力与变形规律，研究了在基坑土体开挖过程中钢支撑对保证基坑围护结构的安全和稳定所起到的作用。本文以沈阳市南北快速干道工程(公路隧道深基坑)为依托，对基坑开挖过程中横向钢支撑的轴力进行现场实时监测，并采用有限元软件MIDAS/GTS对基坑施工过程中钢支撑在不同工况下的轴力变化规律进行模拟分析，以期为类似基坑工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况及水文地质条件

沈阳市南北快速干道工程(南段隧道)，全长3 348.67 m，双向4车道，设计时速60 km。本区段属于城市主干线，基坑两侧主要为多层居民楼和高层商业楼等，距离基坑仅10～15 m。从市政工程的长远规划考虑，经过比较和论证，确定在隧道结构顶部修建综合管廊，基坑支护结构采用围护桩、格构柱加水平横向钢支撑体系，隧道深基坑采用半盖挖顺做法施工。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

2 支护体系设计方案

公路隧道基坑开挖深度为17.8 m，标准开挖段宽为21.4 m。围护桩采用混凝土强度等级为C30的φ800 mm@1 200 mm规格的钻孔灌注桩，桩长23.8 m，基坑底板以下入土深度为6.0 m; 基坑侧壁各桩之间架设φ8 mm@150 mm×150 mm的钢筋网，并喷射C25混凝土找平加固; 桩顶浇筑0.8 m×1.0 m混凝土冠梁，隧道中央设置2排钢筋混凝土格构柱，基础底板厚1.4 m。共设置4道支撑，其中第1道为0.8 m×0.6 m的混凝土支撑，间距为8 m；第2、3、4道均为φ609 mm×16的钢支撑，端部支撑在两侧围护桩的双拼钢围檩上，间距为4 m，第2、3、4道钢支撑距第1道混凝土支撑顶面的竖向距离分别为5.9、9.9、13.9 m。基坑围护结构剖面图如图1所示。

图1 基坑围护结构剖面图(单位： mm)Fig. 1 Profile of retaining structure of foundation pit (unit： mm)

3 钢支撑轴力现场监测

3.1 轴力计的安装与布设

为防止基坑开挖过程中桩体变形过大，采用钢支撑对围护桩的变形进行约束。钢支撑施加预加轴力的作用机制是利用钢材轻质、高强、理想弹塑性的特性，预先给钢支撑施加一定的轴力，用来抵抗基坑侧向土压力，从而达到控制基坑变形的效果[14]。轴力计安装在钢支撑端部和钢围檩的接触部位，轴力圆筒风叶一侧先焊接在钢支撑端头，待钢支撑吊装就位后，把轴力计的另一侧顶压到预先焊接在钢围檩上厚25 mm的加强垫板上，且中心要对准，避免支撑承受附加弯矩。轴力计安装图如图2所示。轴力计所受约束力的大小即为钢支撑轴力。沿基坑纵向每42 m布设1个支撑轴力监测断面，在每个断面的上中下3道钢支撑端头处安装1个轴力计。本次采用由天津盛克威公司生产的FXR-1040振弦式轴力计进行钢支撑轴力监测，其具有分辨率高、抗干扰能力强、对集中荷载反应灵敏以及测量稳定性好等优点。

图2 轴力计安装图Fig. 2 Installation of axial force meter

3.2 轴力监测原理与数据分析

在基坑土体开挖过程中，基坑的稳定性与钢支撑的架设时间、架设部位及预加轴力的大小有很大的关系。因此，在进行钢支撑的架设和轴力计的安装时，需同时满足设计要求和施工要求。因轴力计在不同施工工况下受到的荷载不同，故测量出的自振频率也在不断变化，可用式(1)计算轴力

F=k(f02-fi2)。

(1)

式中：k为轴力计出厂标定系数；f0为轴力计初始频率;fi为轴力计实时监测频率。

我国支撑轴力设计值以朗肯土压力、侧向土压力按梯形分布、竖向弹性地基梁法等理论为计算基础[15]。根据《建筑基坑支护技术规程》规定： 预压力应分级施加，重复进行，支撑预加轴力取支撑轴向压力标准值的0.5～0.8倍。本工程支撑轴力的设计值为1 800 kN，预警值取80%的设计值，其中第1道钢支撑预加轴力初次取22%的设计值(约400 kN)，第2道钢支撑预加轴力初次取27%的设计值(约500 kN)，第3道预加轴力初次取17%的设计值(约300 kN)。

选取WB-012、WB-018和WB-024具有相似工况的3个断面处的钢支撑轴力进行研究，在3个支撑断面处的围护桩体中，具有可以监测桩体水平位移的测斜管。钢支撑轴力随时间的变化曲线如图3所示。

(a) WB-012监测断面

(b) WB-018监测断面

(c) WB-024监测断面

Fig. 3 Relationships between axial force of steel support and time

根据图3以及现场监测数据可以得出如下结论：

1)对于WB-012和WB-018 2个支撑断面，在每层土体开挖结束后，均按施工要求及时架设了钢支撑，虽然支撑轴力在不断增大，但均未超过支撑轴力的预警值； 而对于WB-024支撑断面，由于在第2层土体开挖结束后，受施工场地条件的限制，未能及时安装第2道钢支撑，此时明显看到第1道钢支撑轴力迅速增加到1 480 kN，达到了设计轴力值的82.2%，已超过预警值。此外，根据监测得到的WB-024断面处围护桩体内测斜管的水平位移量可知，WB-024断面处地下连续墙正在向基坑内迅速形变。可见在基坑开挖过程中，支撑轴力的大小与桩体的水平变形具有相互制约、相互作用的关系。因此，在基坑每层土体开挖完成后，应及时架设钢支撑，并按设计方案要求施加预应力，改善围护墙体的受力条件，有效控制围护桩体向基坑内侧的持续变形。

2)由于3个监测断面具有相同的水文地质条件和相似的施工工况，所以其轴力变化曲线也相似。除WB-024断面处因第2道钢支撑未能及时架设而引起了轴力超过预警值外，其余支撑轴力值均满足规范要求。WB-024断面第2道钢支撑最大轴力监测值为1 150 kN，占设计轴力值的63.9%，占预警值的79.8%(其中预警值为1 440 kN，为设计值的80%)，说明钢支撑轴力设计偏于保守，支撑体系的轴力设计方案仍存在一定的优化空间。从图3可以看出，钢支撑轴力与基坑开挖时间关系密切，除各关键施工阶段外，同一断面处的上下3道支撑轴力曲线均有波动现象，这主要是由现场施工机械振动引起的。

3)随着基坑开挖深度的增加，主动土压力逐渐增大，使得围护桩体向基坑内侧变形加快，在刚开始安装架设各层钢支撑时，每道支撑轴力在短期内均呈线性增长趋势，支撑轴力的变化也反映了支撑断面处围护桩体向基坑内侧位移大小的变化趋势。在第2道钢支撑架设完成后，第1道钢支撑轴力的增长有所变缓，这表明下层钢支撑架设并按施工要求预加轴力后，可以有效抑制上层支撑轴力的持续增长。在3道钢支撑全部架设完成后，3道钢支撑轴力变化曲线在波动中出现了缓慢下降的趋势，说明轴力出现了衰减现象，这主要是因为此时沈阳已进入秋冬季，气温下降较快，而钢材的线膨胀系数对温度变化较敏感，导致钢支撑产生了明显的热胀冷缩现象，钢支撑的收缩卸载了部分支撑轴力，从而引起了支撑轴力不足及衰减； 另外，地下连续墙后的土体在钢支撑轴力的预压作用下发生了流变现象，使得土体应力重新分配并达到新的平衡，同时在基坑土体全部开挖完成后，在基坑底板浇筑了厚1.2 m的混凝土，硬化后分担了上层小部分钢支撑轴力，这也是导致轴力出现衰减现象的原因之一。

2017年9月15日，基坑第2层土体开挖结束，因受到施工场地条件的限制，未能及时架设第2道钢支撑，导致桩体在2017年9月20日9 m深度处水平位移达到8.25 mm。因此，在基坑每层土体开挖完成后，要尽量减少无支撑暴露时间，及时架设钢支撑。在第2道钢支撑架设完成后，开始开挖第3层土体，此时桩体最大变形的位置下移。在基坑最后1层土体的开挖过程中，桩体水平位移变化速率明显降低，这是由于桩体的变形受到混凝土支撑和3道钢支撑的协同作用，从而受到了约束。同时，在架设钢支撑的3个位置处，因桩体受到预加支撑轴力的顶推作用，这些位置的变形均有微量收缩。最终桩体的水平位移在12 m深度处附近(约为基坑开挖设计深度的2/3)达到最大值14.30 mm，远小于24 mm的预警值，表明本工程所采用的钻孔灌注桩+横向4道钢支撑的支护体系发挥了很好的基坑围护作用，既可以保证基坑开挖期间的安全，也极大提高了基坑在施工过程中的稳定性。不同施工阶段桩体的水平位移曲线如图4所示。

图4 不同施工阶段桩体的水平位移曲线(2017年)

Fig. 4 Horizontal displacement curves of pile body under different construction stages in 2017

4 钢支撑轴力模拟计算

本工程选用MIDAS/GTS有限元软件建立隧道深基坑三维空间模型，并对基坑土体分层开挖的全过程进行模拟计算。在模拟分析基坑开挖过程中土体的稳定性问题时，采用摩尔-库仑模型进行土体本构关系的研究，以此得出钻孔灌注桩+钢支撑基坑支护体系钢支撑的轴力变化特点。

4.1 基本假设

4.1.1 对于围护桩的基本假设

在用MIDAS/GTS软件建立基坑模型时，通常会采用梁单元和桩单元模拟围护桩体。但鉴于本次研究的公路隧道深基坑中，围护桩排布密集且数量较多，若仍采用常规的梁单元和桩单元进行分析，则会产生大量的划分网格，从而给计算造成困难。而由围护桩与围护墙的等刚度转换原则可知： 因二者具有相似的结构形式与受力特性，所以能够将联排的钻孔灌注桩等效为地下连续墙结构。结合本工程的施工特点以及以往的模拟经验，采用地下连续墙结构单元分析时，可以简化后期的计算过程，而且用此结构单元计算出的结果比较合理可靠，所以本模拟计算中将围护桩等效为地下连续墙。其中，地下连续墙本构模型采用弹性模型进行分析。按等刚度转换原则可推导出如下计算公式：

(2)

(3)

式中：D为钻孔灌注桩直径，取800 mm；t为桩间净距，取400 mm；h为等效转换后的地下连续墙厚度。

将D和t代入式(3)，可得h=586 mm，为方便后期的计算及保证模拟结果的可靠性，将灌注桩等效厚度h按600 mm进行计算。

4.1.2 对于钢支撑的基本假设

因桁架单元只能反映支撑轴力的变化情况，而梁单元不仅可以反映基坑开挖过程中支撑轴力的变化特性，而且可以得到支撑过程中结构所受的弯矩与剪力，所以最终采用梁单元来模拟钢支撑结构，采用弹性模型的结构形式对钢支撑进行模拟计算，并以集中力的形式对钢支撑进行轴力预加载。

在用MIDAS/GTS软件进行边界条件设置时，需要限制基坑底部土体的隆起(竖向位移)、水平位移及基坑侧壁土体的水平位移，而对于基坑周边的地表沉降则无需限制，这些边界条件均可以通过软件的设置窗口来完成。根据地质勘察得到的基坑土体物理力学参数(见表1)、支护体系设计方案以及基坑围护结构参数(见表2)，以WB-018断面为例，在沿基坑纵向长96 m的一段区间内，建立整个基坑的三维模型，长×宽×高为180 m×100 m×50 m，如图5所示。

表2 基坑围护结构参数Table 2 Parameters of retaining structure of foundation pit

图5 基坑围护结构三维模型

Fig. 5 Three-dimensional models of retaining structure of foundation pit

4.2 钢支撑轴力模拟结果与分析

根据本工程隧道深基坑的实际施工情况，采用MIDAS/GTS进行模拟时，遵照分层开挖的施工工序进行计算分析，共分为5个阶段：

1)对即将开挖的土体进行初始地应力计算，并进行钻孔灌注桩(地下连续墙)的施工及第1道混凝土支撑的浇筑； 2)开挖基坑第1层土体至6.7 m，并在5.9 m深度处架设第1道钢支撑； 3)开挖基坑第2层土体至10.7 m，并在9.9 m深度处架设第2道钢支撑； 4)开挖基坑第3层土体至14.7 m，并在13.9 m深度处架设第3道钢支撑； 5)开挖至坑底17.8 m，清槽后做防水垫层，并绑扎钢筋、浇筑基础底板。

通过模拟基坑不同开挖阶段，得出的钢支撑轴力云图分别如图6—9所示。

图6 开挖至6.7 m时第1道钢支撑的轴力云图

Fig. 6 Axial force nephogram of the first layer support when excavating depth is up to 6.7 m

(a) 第1道钢支撑

(b) 第2道钢支撑

Fig. 7 Axial force nephograms of the first and second layer support when excavating depth is up to 10.7 m

(a) 第1道钢支撑

(b) 第2道钢支撑

(c) 第3道钢支撑

图8开挖至14.7 m时第1道、第2道和第3道钢支撑的轴力云图

Fig. 8 Axial force nephograms of the first, second and third layer support when the excavating depth is up to 14.7 m

图9 开挖完成后各道钢支撑的轴力云图

Fig. 9 Axial force nephogram of every layer support after excavation

在用MIDAS/GTS对基坑开挖过程模拟时，可以看到： 同一监测断面中，当下层钢支撑架设并预加轴力后，会使得上层轴力有所减小，且同一层中两侧相邻部位架设的钢支撑轴力也会被削弱； 在每道钢支撑架设完成时，轴力值呈线性增大趋势，之后随着土体的不断开挖，轴力值会出现缓慢下降的现象，并逐步趋于稳定。受基坑时空效应的影响，在约距基坑设计开挖总深度的2/3处围护桩的变形最大，因此，在模拟计算出的3道钢支撑轴力中第2道支撑轴力最大。3道钢支撑轴力模拟值仅为设计值的41.5%～61.7%，说明该基坑支护体系的设计偏于保守，因此，可对钢支撑轴力的设计方案进行优化。

4.3 模拟结果与监测结果对比分析

在基坑各层土体开挖过程中，WB-018断面处3道钢支撑轴力现场监测最大值与模拟值对比结果如表3所示。

表3钢支撑轴力监测最大值与模拟值对比

Table 3 Comparison between monitored maximum value and simulated values of axial force of steel supports

钢支撑层号监测值/kN模拟值/kN比值第1道910.0745.61.22第2道1021.51110.40.92第3道735.4970.40.76

由表3可以看出： 监测值与模拟值的比值为0.76～1.22，模拟结果存在一定偏差。这主要是在利用MIDAS/GTS进行模拟计算时，没有考虑气温变化、施工机械荷载振动和预加轴力损失等因素对钢支撑轴力的影响，且在模拟计算时为了简化模型结构，采用了等刚度转换原则; 另外，基坑土体的复杂性以及各层土体物理力学参数选取的不确定性导致了采用摩尔-库仑本构模型对基坑各个开挖阶段的模拟存在偏差。但监测结果与模拟结果在数值上总体比较接近，变化趋势一致，表明建立的计算模型合理、参数选取恰当，能够反映基坑开挖期间钢支撑轴力变化的一般规律，可为基坑支护结构的设计和施工提供参考。

5 结论与讨论

本文针对沈阳市南北快速干线隧道深基坑开挖过程中的钢支撑轴力进行了现场监测，并采用有限元软件MIDAS/GTS进行了模拟研究，得到如下结论与讨论：

1)随着基坑开挖深度的增加，主动土压力逐渐增大，在刚开始架设各层钢支撑时，每道支撑轴力在短期内线性增长。对于WB-024支撑断面，因未能及时安装第2道钢支撑，使第1道钢支撑轴力迅速增长到1 480 kN，达到了设计轴力值的82.2%，超过了预警值。因此，在基坑每层土体开挖完成后，应及时架设钢支撑，并施加合理的预应力，以改善围护墙体的受力条件，防止基坑失稳。

2)当3道钢支撑全部架设完成后，3道钢支撑的轴力变化曲线在波动中呈缓慢下降的趋势，说明轴力值出现了衰减现象。这主要是因为此时沈阳已进入秋冬季，气温下降较快，导致钢支撑产生了热胀冷缩的现象，钢支撑的收缩卸载了部分支撑轴力； 另外，地下连续墙后的土体在钢支撑轴力的预压作用下，发生了流变现象，使得土体应力重新分配并达到平衡，这也是导致轴力衰减的原因之一。

3)同一断面处的上下3道支撑轴力变化曲线并不是一直呈单调递增趋势的，而会出现上下波动现象，这主要是由现场施工机械振动引起的，且与早期钢支撑预加轴力的损失也有一定的关系。

4)本文虽然对围护桩+钢支撑所组成的支护体系中钢支撑的轴力进行了研究，但计算与分析对象的分批加载轴力程度是固定的，应当进一步对不同预加应力下围护桩的变形特性进行研究，为钢支撑的理论研究及分析提供参考。

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